LIM Universidade da Coruña

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Modelización y simulación de la reductora de propulsión de un buque mediante técnicas de dinámica multicuerpo con contacto y fricción

Trabajo Fin de Grado

Autor:Juan Manuel Sixto Sánchez

Tutor:Daniel Dopico Dopico

Febrero 2020


I. Definición de objetivos y estado del arte


IntroducciónMotivación

Modelar una caja reductora de engranajes helicoidales de un buque a partir de las bibliotecas de dinámica multicuerpo creadas por el LIM y simularla mediante técnicas de dinámica de sistemas multicuerpo.

Estudiar las fuerzas en el contacto y las relaciones cinemáticas de la reductora.

Interés de Navantia en este tipo de modelos para calcular magnitudes que ahora no son capaces de obtener.

Objetivos

Crear una metodología para el modelado, cálculo y simulación de sistemas de engranajes, englobando:

Modelado de los elementos del sistema a partir de los planos y datos proporcionados por Navantia.

Simulación del sistema en condiciones reales de funcionamiento mediante técnicas de dinámica multicuerpo con contacto.

Estudio y cálculo de las relaciones cinemáticas. Estudio y cálculo de las fuerzas de contacto.


Antecedentes

Problema básico en el diseño: conseguir una distribución uniforme de las fuerzas en la cara de los dientes.

Fuerza aplicada en un área pequeña: Picadura Fuerzas con diferente dirección: Martilleo

Problemas que se corrigen con engranajes helicoidales.

Navantia utiliza el software KISSsoft para el cálculo.


II. Metodología


Descripción del sistema Caja reductora de un buque

proporcionada por Navantia. Propulsión mediante un motor Diésel de 4

tiempos de medias o altas revoluciones. Reductora de una etapa. Engranajes dobles helicoidales (también

llamados “de espina de pescado”)tallados en los ejes del buque.

Sistema típico en navíos convencionales.

Parámetros

Dientes: 27 y 151.

Modulo 10 mm.

Ángulo de presión 20º.

Ángulo de hélice 27,12º.

Relación de transmisión 0,1788.

Ancho de diente 135 mm.

Distancia entre ejes 1000 mm.


2 sólidos en el modelo:

Piñón.

Rueda.

Modelo multicuerpo del sistema

4 archivos CAD 3D:

Eje piñón + dentado piñón.

Eje rueda + dentado rueda.


Modelo multicuerpo del sistema Los archivos 3D se exportan a un formato de malla de triángulo mediante el

software de CAD 3D (SolidWorks y Siemens NX): Triángulos grandes donde no se realiza el cálculo de colisiones. Triángulos pequeños donde se realiza el cálculo.



Modelado del sistema en coordenadas mixtas:• Coordenadas naturales: puntos y vectores. • Variables adicionales (ángulos): coinciden con los gdl del sistema.


Simulación

MBSLIM MBSmodel

Bibliotecas creadas por el Laboratorio de Ingeniería Mecánica (LIM). MBSLIM: biblioteca de funciones escrita en Fortran 2003 para la dinámica

de sistemas multicuerpo. Permite plantear y resolver las ecuaciones del movimiento del sistema. Es flexible a la hora de definir el mecanismo y resolver su dinámica,

admitiendo diferentes formulaciones y diferentes integradores para suplanteamiento y resolución.

MBSmodel: biblioteca de funciones escrita en C++. Renderizado 3D. Detección de colisiones entre sólidos 3D.


Simulación

Formulación y resolución de la dinámica del sistema

Formulación del problema en matriz R1. Paso de tiempo variable, se utiliza un paso mínimo de 10-5 𝑠. Regla trapezoidal implícita como integrador numérico.

Condiciones de simulación

Se ha modelado un motor diésel de 4 tiempos, no reversible, turboalimentado, con intercooler, con inyección directa de combustible de 8 cilindros.

Se ha hecho un modelo de carga correspondiente a la resistencia hidrodinámica al giro de la hélice.

1 García de Jalón, J. & Bayo, E. Kinematic and dynamic simulation of multibody systems: thereal challenge. Springer-Verlag,1994.


III. Resultados y discusión


Simulación


Resultados

Velocidades angulares de ambos engranajes


Resultados

Par motor en el eje del piñón


Resultados

Potencia del motor y potencia disipada por fricción


Resultados

Fuerzas de contacto y fuerzas de fricción


IV. Conclusiones


Conclusiones

Con la ayuda de los planos y de los datos proporcionados por Navantia se ha obtenido un modelo en 3D de los ejes del piñón y de la rueda.

Se ha creado un modelo multicuerpo de la reductora de engranajes helicoidales, el cual incluye la dinámica directa, renderizado 3D y detección de colisiones entre los engranajes helicoidales dobles de la reductora.

Se ha demostrado que el programa KISSsoft es una herramienta eficaz para crear un modelo 3D del perfil de dientes de un sistema de engranajes helicoidales.

También se han obtenido las relaciones cinemáticas y las fuerzas normales y de fricción.

Gracias a esta información, se puede detectar el comportamiento de los dientes a niveles que otros modelos convencionales no son capaces de llegar y considerar transitorios y efectos en otros elementos en el diseño y cálculo de este tipo de transmisiones.


Muchas gracias

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